汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧(ao)氏(shi)體(ti)不(bu)銹鋼的超聲波探傷歷來是行業內重點研究內容。因為奧氏體組織本身晶粒度較大，會產生大量的干擾信號，給時域內超聲缺陷信號判斷帶來極大困難。本書將以短時傅里葉變換信號處理技術為基礎，簡要介紹奧氏體不銹鋼無縫鋼管裂紋缺陷的信號處理方法。

一(yi)、短時傅里(li)葉(xie)變換

短(duan)時傅(fu)里(li)葉(xie)變(bian)換的實質是一(yi)(yi)種加窗后的移動傅(fu)里(li)葉(xie)變(bian)換，假(jia)設有(you)一(yi)(yi)信號s(t),其短(duan)時傅(fu)里(li)葉(xie)變(bian)換的定義如下：

 根據式（4.9)~式（4.11),在某特定時(shi)(shi)(shi)(shi)刻b,用寬度為2τ的時(shi)(shi)(shi)(shi)間窗(chuang)截取信號(hao)s(t),對(dui)所得(de)信號(hao)做快速傅(fu)里葉(xie)變換，可(ke)獲得(de)信號(hao)s(t)在特定時(shi)(shi)(shi)(shi)刻b的幅度譜(pu)，將時(shi)(shi)(shi)(shi)間窗(chuang)后(hou)移，依次進行相同操作，最終(zhong)得(de)到(dao)某一頻率的信號(hao)在整個信號(hao)有效(xiao)時(shi)(shi)(shi)(shi)間內的幅度譜(pu)，該方法稱(cheng)為短時(shi)(shi)(shi)(shi)傅(fu)里葉(xie)變換。

 1. 窗函數類型選擇(ze)

 對短時(shi)傅里(li)葉變換而言(yan)，窗(chuang)函數(shu)與窗(chuang)函數(shu)寬度的(de)選擇是關鍵因(yin)素，不同的(de)窗(chuang)函數(shu)有各自的(de)頻(pin)率特性(xing)，窗(chuang)寬度的(de)選擇要同時(shi)考慮時(shi)間分(fen)辨率和頻(pin)率分(fen)辨率。

  圖(tu)4.13為304奧氏(shi)體不銹鋼(gang)無縫管(guan)粗(cu)晶反射信(xin)號，反射信(xin)號長度為46個采(cai)樣(yang)(yang)點(dian)(dian)，按窗(chuang)寬度50個采(cai)樣(yang)(yang)點(dian)(dian)選(xuan)擇(ze)不同(tong)窗(chuang)函(han)數分別(bie)做STFT處理。不同(tong)窗(chuang)函(han)數的STFT處理結果如圖(tu)4.14所示(shi)。

 分(fen)析(xi)不(bu)同窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)函數STFT圖，矩形窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)、三角形窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)以及海明窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)STFT處理后的(de)信(xin)號(hao)粗糙，光順(shun)度不(bu)夠，信(xin)號(hao)峰值(zhi)較(jiao)難獲(huo)取，不(bu)宜(yi)采用；漢寧(ning)窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)以及布萊克曼(man)窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)STFT處理后的(de)信(xin)號(hao)比較(jiao)順(shun)滑，信(xin)號(hao)峰值(zhi)較(jiao)易確(que)定(ding)。對比漢寧(ning)窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)、布萊克曼(man)窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)，漢寧(ning)窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)STFT處理所得信(xin)號(hao)幅值(zhi)較(jiao)大，分(fen)辨精度較(jiao)高，故(gu)選擇該窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)函數較(jiao)為適宜(yi)。

2. 窗函數寬度選(xuan)擇

 分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬度是短時(shi)傅里葉變(bian)(bian)換的(de)(de)一個(ge)重(zhong)要(yao)參數(shu)，窗(chuang)寬度的(de)(de)選擇決(jue)定能否正確分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)出原始信號(hao)中的(de)(de)頻率(lv)變(bian)(bian)化(hua)情況。分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬度越(yue)窄(zhai)，局部頻譜的(de)(de)頻率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)就(jiu)(jiu)(jiu)越(yue)低，時(shi)間(jian)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)就(jiu)(jiu)(jiu)越(yue)高；相反，分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬度越(yue)寬，局部頻譜的(de)(de)頻率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)就(jiu)(jiu)(jiu)越(yue)高，時(shi)間(jian)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)就(jiu)(jiu)(jiu)越(yue)低。因此(ci)需要(yao)找到(dao)一個(ge)合適的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬度，使得(de)局部頻譜在頻率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)與時(shi)間(jian)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)達到(dao)最優效果。

 采用漢寧窗，選擇不同窗寬度(du)對上述奧氏體不銹(xiu)鋼粗晶反(fan)射信號做(zuo)STFT處理，得到多(duo)個頻率的(de)時間－幅值譜，其結果如圖4.15所示。

 分(fen)析圖(tu)4.15a,當窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)等于(yu)超聲反(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)信號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)時(shi)，處(chu)理結果的頻率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)不足，其(qi)中4MHz、5MHz單頻信號(hao)(hao)較難分(fen)辨(bian)(bian)；圖(tu)4.15b窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)增(zeng)加到反(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)信號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的1.2倍，單頻信號(hao)(hao)的頻率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)有(you)所增(zeng)加；圖(tu)4.15c窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)為反(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)信號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的1.5倍，單頻信號(hao)(hao)的時(shi)間分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)及頻率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)均達(da)到最優；圖(tu)4.15d窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)等于(yu)反(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)信號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的2倍，單頻信號(hao)(hao)的時(shi)間分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)明顯降低。因此STFT處(chu)理的窗(chuang)函數最佳寬(kuan)(kuan)度(du)(du)應在超聲反(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)信號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的1.5倍左右。

二、粗晶奧氏體不(bu)銹(xiu)鋼管裂(lie)紋缺陷(xian)檢(jian)測

 以外徑21mm、厚度3.2mm的304奧(ao)氏(shi)體不銹鋼無(wu)縫鋼管(guan)為基管(guan)，細(xi)晶(jing)(jing)試樣(yang)不做(zuo)熱處理，通過(guo)1280℃/4h的熱處理工(gong)藝獲(huo)得粗晶(jing)(jing)試樣(yang)，分(fen)別在細(xi)晶(jing)(jing)和粗晶(jing)(jing)樣(yang)管(guan)上(shang)通過(guo)電(dian)火花加工(gong)人工(gong)缺陷長5mm、深(shen)0.2mm、寬0.2mm,檢(jian)測超聲中(zhong)心頻(pin)率5MHz,超聲檢(jian)測信號如圖4.16所(suo)示(shi)。

 對上述(shu)信號(hao)(hao)做快(kuai)速(su)傅(fu)里葉(xie)變換處理，得到各自的時(shi)頻(pin)信號(hao)(hao)圖(tu)如圖(tu)4.17所(suo)示。

 分析圖(tu)4.17,當(dang)(dang)頻率(lv)較(jiao)低(di)時(shi)，通(tong)常低(di)于4MHz情(qing)況下奧氏(shi)體(ti)不(bu)銹鋼樣(yang)管細晶(jing)－裂紋超(chao)聲信號時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值較(jiao)大，粗(cu)晶(jing)無裂紋超(chao)聲信號時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值較(jiao)小；當(dang)(dang)頻率(lv)超(chao)過5MHz時(shi)，奧氏(shi)體(ti)不(bu)銹鋼樣(yang)管粗(cu)晶(jing)－裂紋超(chao)聲信號時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值較(jiao)大，細晶(jing)－裂紋超(chao)聲信號時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值較(jiao)小。

上述差異表明(ming)超聲波與奧(ao)氏體(ti)(ti)不銹(xiu)鋼(gang)裂紋(wen)或晶粒(li)相(xiang)互作用(yong)后(hou)，裂紋(wen)和晶粒(li)對(dui)超聲波某些頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)抑(yi)制和增強作用(yong)不同(tong)，回波信(xin)號(hao)的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)成分會表現出差異，它體(ti)(ti)現在反(fan)射信(xin)號(hao)中(zhong)不同(tong)頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)相(xiang)對(dui)幅值隨時間(jian)的(de)(de)變化規律不同(tong)，這代表著里(li)面含(han)有(you)一定的(de)(de)有(you)關奧(ao)氏體(ti)(ti)不銹(xiu)鋼(gang)裂紋(wen)和晶粒(li)的(de)(de)信(xin)息，對(dui)粗晶奧(ao)氏體(ti)(ti)不銹(xiu)鋼(gang)缺陷的(de)(de)超聲時域信(xin)號(hao)分辨提供了(le)分析手(shou)段。